JP6305712B2

JP6305712B2 - 伝動ターボ機械

Info

Publication number: JP6305712B2
Application number: JP2013192743A
Authority: JP
Inventors: エミール・アシェンブルック; カールステン・ベネヴァ; スヴェン・ボイエ; ベルント・リーセ; フィリップ・ギングター
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2018-04-04
Anticipated expiration: 2033-09-18
Also published as: US9752672B2; DE102012018468B4; US20140076081A1; CA2827697A1; DE102012018468A1; EP2711503A2; CA2827697C; EP2711503B1; JP2014062545A; EP2711503A3

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルの特徴を有しており、伝動装置を介して駆動ユニットおよび／または従動ユニットを機械ラインへと統合している伝動ターボ機械に関する。

特許文献１では、内蔵された伝動装置と、駆動ユニットおよび／または従動ユニットとを備えた多段式の伝動ターボ機械が記載されている。駆動ユニットおよび従動ユニットは、圧縮機、蒸気タービン、ガスタービン、モータ、発電機、および膨張機であり、これに関して一方では、これらユニットを同一の水平平面内に配置することが特に有利であり、もう一方では大歯車および追加的な駆動小歯車があることにより、使用可能な駆動ユニットおよび従動ユニットの多数の可能性を統合することが可能になる。実際の業務から、上述のように構成された特許文献１に記載の機械ラインが知られており、ただし、任意選択で組み込み得る膨張機に関して欠点を有している。現在の構成は専ら半径流膨張機を含んでおり、ただしこの場合、実現し得る流量が制限されるという欠点があり、つまり構造的に可能な半径流膨張機が、実施し得る設置寸法の限界になる。機械ライン内で設置体積をそれ以上大きくできないというだけでなく、既にもう構造上の限界範囲にある半径流膨張機は材料費が比較的高いという欠点を有している。なぜならプロセス上の制約により、高価な高合金の材料が必要であり、しばしば二重胴ハウジング構成も必要だからである。特に大歯車の幾何形状が制限されていることから、伝動ターボ機械の機械ラインのユニットのための設置体積が制限されており、したがって次第に高くなる流量の処理には限界がある。

欧州特許第１６９１０８１号明細書

本発明の課題は、内蔵された伝動装置を備えた属概念の伝動ターボ機械を、前述の欠点が回避されるように、加えてハウジングへの軸流膨張機の結合が、膨張すべき媒体の流入温度が高くても可能であるように形成することである。

この課題は、内蔵された伝動装置を備えた属概念の伝動ターボ機械の場合、本発明により請求項１の特徴によって解決される。本発明の有利な形態は従属請求項の対象である。

本発明に基づいて形成された伝動ターボ機械を用いることで、軸流膨張機の比較的高い流量という原理的な利点を活用し、同時にそれに伴って生じる流体工学的および熱的な負荷に適応している機械ラインを構成することができる。

軸流膨張機はそのハウジングの軸方向の最初の領域で、伝動ターボ機械の伝動装置のハウジングと結合しており、したがって伝動装置の小歯車軸を介し、軸流膨張機との回転しない結合が生じている。膨張すべき非常に熱いプロセス媒体のための流入路は、軸流膨張機の軸方向の最初のところで径方向に存在しており、半径流膨張機とは違い熱いプロセスガスが伝動装置ハウジングのすぐ近くにある。これに関連して、伝動装置および特にハウジングの機能性への悪影響を防止するため、軸流膨張機と伝動装置の間の移行領域を冷媒によって冷却する。

本発明の１つの例示的実施形態を図面に示している。

伝動装置と、駆動ユニットおよび従動ユニットとを備えた伝動ターボ機械の概略図である。伝動ターボ機械の伝動装置の透視図である。伝動装置のハウジング内および軸流膨張機のハウジング内での冷却に関する詳細図である。伝動装置のハウジングと軸流膨張機のハウジングの間の中間壁内での冷却に関する詳細図である。

図１に示した伝動ターボ機械は、ガスの処理およびさらなる処置のための化学設備の一部である。このような伝動ターボ機械（１）は、伝動装置（２）を介して駆動機械および／または従動機械（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７）を機械ラインへと統合しており、これに関し一方では駆動ユニットとして蒸気タービン、ガスタービン、膨張機、およびモータが、ならびに従動ユニットとして圧縮機および発電機が可能である。

個々のユニットは相互に連結されており、かつ１つまたは複数の台枠上に据え付けられており、図２では例として示した機械基礎（４）上に据え付けられている。機械基礎（４）の下には、図１〜図４では図示されていない冷却機、復水器、および本発明には重要でないが機械ラインの稼働に必要なさらなる機器がある。

操作すべき化学プロセスの種類に応じ、一緒にまたは単独で、駆動ユニット（Ａ１、Ａ６、Ａ７）として軸流膨張機（Ａ１）、蒸気タービン（Ａ６）、およびモータ（Ａ７）を形成することができる。軸流膨張機（Ａ１）は小歯車軸（１１）を介して、蒸気タービン（Ａ６）は駆動軸（６）を介して、モータ（Ａ７）は伝動ターボ機械（１）の大歯車（９）の軸（１３）を介して作用結合される（互いに作用して協働するように結合される）。

図２に基づく伝動ターボ機械（１）の伝動装置（２）はハウジング（７）を含んでおり、このハウジング内に、駆動小歯車（８）、大歯車（９）、およびさらなる小歯車（１０、１４、１５）が配置されている。駆動小歯車（８）は駆動軸（６）上で固定されており、この駆動軸は、伝動ターボ機械（１）のハウジング（７）内で支持されている。駆動小歯車（８）は第１の小歯車（１０）と噛み合っており、この第１の小歯車は、第１の小歯車軸（１１）上で回転しないように固定されている。第１の小歯車軸（１１）はその端部に羽根車を装備しており、この羽根車は、１段式または多段式で片持ち支持された軸流膨張機（Ａ１）と回転しないように結合している。

駆動小歯車（８）は、第１の小歯車（１０）とは反対の側で大歯車（９）と噛み合っており、この大歯車は、ハウジング（７）内で支持された軸（１３）上で回転しないように固定されている。駆動小歯車（８）を介して導入される駆動ユニット（Ａ６）の出力は、同時に大歯車（９）および軸流膨張機（Ａ１）に属する第１の小歯車（１０）に放出される。

大歯車（９）は、第２の小歯車（１４）および第３の小歯車（１５）と噛み合っており、これらの小歯車はそれぞれ、ハウジング（７）内で支持された第２および第３の小歯車軸（１６、１７）上で回転しないように固定されている。第２の小歯車軸（１６）はその端部に圧縮機段（ＩＩ、ＩＩＩ）の羽根車を装備している。第３の小歯車軸（１７）はその端部に圧縮機段（ＩＶ、Ｖ）の羽根車を装備している。すべての膨張機段および圧縮機段は、対応する小歯車軸上で片持ち支持されている。

駆動軸（６）、第１の小歯車軸（１１）、第２の小歯車軸（１６）、および大歯車（９）の軸（１３）は、同一の水平平面（３）内にある。第３の小歯車軸（１７）は、この平面（３）より上にある。図２の表示では、大歯車（９）に対して、駆動小歯車（８）は好ましくは９時の位置に、第２の小歯車（１４）は好ましくは３時の位置に、および第３の小歯車（１５）は好ましくは１２時の位置にある。駆動小歯車（８）に対しては、第１の小歯車（１０）が好ましくは９時の位置に、および大歯車（９）が好ましくは３時の位置にある。

前述の図２に基づく伝動装置（２）は、伝動ターボ機械（１）全体のための基盤であり、この伝動装置（２）は、本質的には駆動ユニットおよび／または従動ユニット（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７）から成る機械ラインの中核である。

例示的実施形態では、機械ラインに内蔵された伝動装置（２）が、基本的には、大歯車軸（１３）を備えた中心の大歯車（９）と、小歯車軸（１１、１６、１７）を備えた複数の小歯車（１０、１４、１５）と、駆動軸（６）を備えた駆動小歯車（８）とを含んでいる。大歯車（９）は小歯車（１４、１５）と噛み合っており、小歯車軸（１６、１７）の端部は従動ユニット（Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５）と回転しないように結合されており、これは好ましくは圧縮機段ＩＩ〜Ｖの圧縮機（Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５）である。大歯車（９）は駆動小歯車（８）とも噛み合っており、この駆動小歯車は、駆動軸（６）の端部を介して駆動ユニット（Ａ６）と回転しないように結合している。大歯車（９）の大歯車軸（１３）は、この例示的実施形態ではモータまたは発電機（Ａ７）と結合している。駆動小歯車（８）は他方で小歯車（１０）と噛み合っており、この小歯車軸（１１）の端部は、駆動ユニットとして働く軸流膨張機（Ａ１）と回転しないように結合されている。

軸流膨張機（Ａ１）のハウジング（２０）は、軸流膨張機（Ａ１）の流入領域（２１）が伝動装置（２）のハウジング（７）に直接的に隣り合うように、伝動装置（２）のハウジング（７）にフランジ接続されており、軸流膨張機（Ａ１）と伝動装置（２）の間の移行領域（２２）は冷媒によって冷却される。冷媒の必要量および場合によっては選択も、駆動ユニットまたは従動ユニット（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７）の種類に応じて、それぞれの駆動ユニットまたは従動ユニット（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７）の流入口および／または流出口でのそれぞれのプロセス媒体の温度に基づいて決めることができる。

図１および図２に基づく例示的実施形態では、伝動ターボ機械（１）が駆動ユニットとして蒸気タービン（Ａ６）を含んでおり、したがってこの場合の冷媒の必要量および選択は、蒸気タービン（Ａ６）内への蒸気の流入温度に基づいて決まる。冷媒としては、好ましくは蒸気および空気が考えられ、この蒸気および空気は一つには伝動ターボ機械のプロセスから、またはもう一つには隣り合うプロセスおよび外部の供給源から取り出すことができる。

本発明の好ましい一実施形態では、軸流膨張機（Ａ１）のハウジング（２０）内にまたは伝動装置（２）のハウジング（７）内に冷媒用の流路（２３）が存在しており、ただし冷却のための流路（２３）が両方のハウジング（７、２０）内にあってもよい。

その代わりに、軸流膨張機（Ａ１）のハウジング（２０）と伝動装置（２）のハウジング（７）の間に中間壁（２４）を配置することができ、この中間壁内に冷媒用の流路（２３）が配置されている。これに関しては、流路（２３）を中間壁（２４）内にだけ配置することが有利であり得、これによりハウジング（７、２０）の構造形態を変更しないままにすることができる。ただし用途に応じて、冷却のための流路（２３）を中間壁（２４）内にもハウジング（７、２０）内にも内蔵させることも有意義であり得、これにより、いっそう改善された放熱を達成することができる。

伝動ターボ機械（１）の伝動装置（２）のハウジング（７）への軸流膨張機（Ａ１）のハウジング（２０）の直接的な結合は、追加的な結合軸を必要とせず、理想的な場合には、軸流膨張機（Ａ１）の軸が、直接的に小歯車軸（１１）と回転しないように連結されており、かつ１段式または多段式で片持ち支持されている。これによりコンパクトな構成になっており、これに関連して、本発明による構成の有利な一形態では、別々の機械基礎（４）をやめることもできる。空間的な利点だけでなくこの構成は、共通の機械基礎（４）のために必要な材料を大幅に少なくし、最近では、構成全体の振動技術的な解釈に関する利点も生じている。

本発明による機械ラインの機能性に関しては、小歯車軸（１６、１７）に取り付けられた従動ユニット（Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５）が圧縮機段（ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ）として形成されており、駆動ユニット（Ａ６）としては蒸気タービンまたはガスタービン（Ａ６）が、駆動小歯車（８）に対して回転しないように駆動小歯車（８）に作用結合されている（蒸気タービンまたはガスタービン（Ａ６）と駆動小歯車（８）とが、ともに作用して協働するよう結合されている）。ただし、その他のターボ原動機および電気式駆動機または燃焼駆動機も、駆動ユニットとして考えられる。

モータ／発電機（Ａ７）は駆動ユニットとして、直接的にまたは伝動装置（２）を介して大歯車軸（１３）と噛み合っており、化学プロセスの種類に応じてなくすこともある。

伝動ターボ機械（１）は、駆動ユニットとしてのターボ原動機、例えば蒸気タービンもしくはガスタービン（Ａ６）、または電気式駆動機によって、あるいは特殊な場合には燃焼原動機によっても始動させることができる。その後、モータ（Ａ７）の同期回転数以降は、モータ（Ａ７）（モータ回路におけるモータ／発電機（Ａ７））が機械ラインの駆動を引き継ぐ。軸流膨張機（Ａ１）は、機械ラインが動き始め、また帰属の化学プロセスが進行して、プロセスからの排ガスまたは排蒸気が軸流膨張機（Ａ１）を駆動することではじめて出力を放出する。軸流膨張機（Ａ１）を、伝動ターボ機械（１）の圧縮機（Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５）の１つによって圧縮された空気で稼働することもでき、つまりエネルギーの一部を回収することができる。

１伝動ターボ機械
２伝動装置
３水平平面
４機械基礎
６駆動軸
７伝動装置のハウジング
８駆動小歯車
９大歯車
１０第１の小歯車
１１第１の小歯車軸
１３大歯車軸
１４第２の小歯車
１５第３の小歯車
１６第２の小歯車軸
１７第３の小歯車軸
２０軸流膨張機のハウジング
２１流入領域
２２移行領域
２３冷却のための流路
２４中間壁
Ｉ膨張機段
ＩＩ〜Ｖ圧縮機段
Ａ１〜Ａ７駆動ユニットまたは従動ユニット
Ａ１膨張機段のための軸流膨張機（１段式または多段式）
Ａ２段ＩＩのための圧縮機
Ａ３段ＩＩＩのための圧縮機
Ａ４段ＩＶのための圧縮機
Ａ５段Ｖのための圧縮機
Ａ６ターボ原動機／モータ
Ａ７モータ／発電機

Claims

伝動装置（２）を介して駆動ユニットおよび／または従動ユニット（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７）を機械ラインへと統合しており、
内蔵された前記伝動装置（２）が、基本的には、大歯車軸（１３）を備えた中心の大歯車（９）と、小歯車軸（１１、１６、１７）を備えた複数の小歯車（１０、１４、１５）とを含んでおり、
前記大歯車（９）が前記小歯車（１０、１４、１５）と作用結合しており、前記小歯車軸（１１、１６、１７）の端部がそれぞれ、駆動ユニットおよび／または従動ユニット（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５）と作用結合しており、
前記大歯車軸（１３）が、駆動ユニットおよび／または従動ユニット（Ａ７）と作用結合している伝動ターボ機械（１）において、
前記駆動ユニットおよび／または従動ユニット（Ａ１）が、１段式または多段式で片持ち支持された軸流膨張機であり、
前記軸流膨張機（Ａ１）のハウジング（２０）が、前記軸流膨張機（Ａ１）の流入領域（２１）が前記伝動装置（２）のハウジング（７）に直接的に隣り合うように、前記伝動装置（２）の前記ハウジング（７）にフランジ接続されており、軸流膨張機（Ａ１）と伝動装置（２）との間の移行領域（２２）が冷媒によって冷却され得ることを特徴とする伝動ターボ機械（１）。
前記軸流膨張機（Ａ１）の前記ハウジング（２０）および／または前記伝動装置（２）の前記ハウジング（７）が、冷媒用の流路（２３）を内包していることを特徴とする請求項１に記載の伝動ターボ機械（１）。
前記軸流膨張機（Ａ１）のハウジング（２０）が、中間壁（２４）と共に、前記伝動装置（２）のハウジング（７）にフランジ接続されており、前記中間壁（２４）が、前記冷媒用の流路（２３）を内包していることを特徴とする請求項２に記載の伝動ターボ機械（１）。
前記冷媒の必要量および／または組成が、前記駆動ユニットまたは従動ユニット（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７）の種類に応じて、それぞれの前記駆動ユニットまたは従動ユニット（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７）の流入口および／または流出口でのプロセス媒体のそれぞれの温度に基づいて決められることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の伝動ターボ機械（１）。
前記伝動装置では、前記大歯車（９）と前記小歯車（１０、１４、１５）の１つとの間に、駆動軸（６）を備えた駆動小歯車（８）が配置されており、前記駆動小歯車が、前記大歯車（９）と前記小歯車（１０、１４、１５）の１つと作用結合しており、かつ前記駆動小歯車（８）が駆動ユニット（Ａ６）と作用結合していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の伝動ターボ機械（１）。
内蔵された前記伝動装置（２）と、前記駆動ユニットおよび／または従動ユニット（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７）とが、前記軸流膨張機（Ａ１）のハウジング（２０）を介して共通の機械基礎（４）に固定されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の伝動ターボ機械（１）。
前記小歯車軸（１６、１７）に取り付けられた前記従動ユニット（Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５）が、圧縮機段（ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ）の羽根車であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の伝動ターボ機械（１）。
前記伝動装置では、前記大歯車（９）と前記小歯車（１０、１４、１５）の１つとの間に、駆動軸（６）を備えた駆動小歯車（８）が配置されており、
前記駆動小歯車（８）と作用結合している前記駆動ユニット（Ａ６）が、ターボ原動機、電気式駆動機、または燃焼駆動機であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の伝動ターボ機械（１）。
前記大歯車軸（１３）に対して回転しないように前記大歯車軸（１３）に作用結合している前記駆動ユニット（Ａ７）が、モータおよび／または発電機であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の伝動ターボ機械（１）。